当快速成型新技术

快速成型新技术

低流量分层制造（LVLM）作为一个贯穿整个制造业的设计方式，已经为大家所熟知，在很短的时间内对于工程师而言这是一个不错的选择。无论你将其称之为快速制造（RM），还是直接数字化制造，低流量分层制造都具有重新定义产品设计方式的潜力。这种技术带给塑料工程师的好处是显而易见的，如可以提高产品质量，降低成本并节省时间。

使用低流量分层制造方式来设计和制造零件，可以帮助设计师在没有任何限制条件的情况下设计零件，并且很容易就可以衡量出该项目收益与否。使用这种方式还可以通过取消不必要的零件加工或将部分工艺合并的方式来降低成本。此外，低流量分层制造可以提高工艺改进效率，如果想要制造一个稍有不同的新零件，在几天之内就可以完成。使用这种新方式的结果很明显，那就是更快、更好的进行设计和部署。

定义低流量分层制造

低流量分层制造是一种利用快速成型（RP）设备制造终端产品的方式。通过使用添加剂，利用快速成型设备来制造零件，也就是说由制造底部开始不断地添加材料，填充进零件空间，直至最终的零件成型（图1）。

图1 快速成型设备可以使用具备足够强度的材料用作零部件的生产

这种逐层递进工艺实际上就是消除在传统制造工艺中存在的零件设计限制或设计潜规则，如数控加工和注塑模具加工。

目前，大概有三种快速成型技术适合用来生产终端产品：丝状材料选择性熔覆快速成型工艺（FDM）、粉末材料选择性烧结工艺（SLS）和光敏树脂选择性固化工艺（SLA）。

但是这三种快速成型技术都具有一定的优缺点（表）。为了能够取代传统的制造方式，用低流量分层技术制造零件必须满足实际应用的需求：强大、多功能、精确并具有一定的吸引力。这三种技术都可以满足上述需求，而如何从中选择合适的加工技术则完全取决于实际需求。几种快速成型材料的功能特性的对比

传统加工方式

传统的设计方式需要对强加给制造工艺的各种限制有一个充分的了解，而这个工艺恰恰是用来加工零件的。例如，CNC机床要加工的零件必须被设计成没有深窄槽，因为CNC机床旋转的刀具无法加工这些深窄槽。而经过注塑成型的零件其设计必须考虑拔模面与模具运动的方向一致，以确保模压成型后产品可以顺利脱模。使用注塑成型加工产品还要注意设计没有底切或口锁功能。这种完全为制造而设计（DFM）或为组装而设计（DFA）的规则存在于零件加工工艺中，并被强制执行。

对于低流量分层制造技术的全面推广其最大的挑战莫过于对设计人员进行再教育培训，因为要让他们真正了解由低流量分层技术带来的自由设计理念，并运用这种技术从事零件设计和组装工作。

灵活设计

使用低流量分层技术可以将原有的设计规则统统抛弃，因为产品是从底部开始制造的，一层层的，因此有关设计的限制就全部解除了。

当取消了产品设计的限制后，就可以满足产品设计灵活性的需求，并实现产品的不断改进。自从使用LVLM技术制造零件以来就不再需要任何加工承诺了，即便出差在外也可以利用络根据客户的需求和绩效反馈对产品进行不断地改进。这种持续的产品改进可以提高客户的满意度和市场反应。

使用LVLM技术以后就可以实现改进设计后产品的按需库存。从概念上来说，几天之内就可以完成加工改进设计的零件。使用这种技术后，过时的零件库存就不复存在了，因为现有的设计方案都是最新和及时的，改进后的零件可以被迅速的制造出来。

变化无罪

一般而言，作为为加工投资而生的零件往往被认为是按时交货且不能改变的，因为必须考虑重新制造模具的成本，也就是说新模具可能会更不合适，总之零件加工的薄弱环节是不允许被改变的。

如果零件一旦设计完成要改变这个设计工艺并不意味着需要支付昂贵的费用，以及长时间的交货期。如今，使用LVLM技术使再设计成为可能，甚至鼓励这种做法。因为不涉及模具投资并且设计没有限制，因此设计零件可以进行实时改进，而且制造加工新的零件仅需要几天的时间。

LVLM非常鼓励这种积极的再设计，我们索性将其称为“积极的进程”，因为不管是零件设计，还是接下来的产品性能都可以根据每个单元的出货量进行改进。更重要的是这种积极的进程可以将你的所有精力都聚焦到满足客户需求上。

聚焦组合零件

要想充分有效的利用好LVLM技术，设计人员必须不断地改变设计模式，并利用好组合零件。简单来说，所谓组合零件就是将一些简单的零件通过组合装配设计成为一个零件，这样通过LVLM技术就可以很方便的加工出来。现在看来，多个零件并存现状的形成是由于通过现有工艺加工这些零件被强加了一些限制而造成的。

L有时为了减轻重量也采取铝合金等有色金属及特种金属VLM技术的出现解除了这些限制的束缚，这样设计人员就可以将原本很多的零件合并成很少的组合零件，当然这些零件只能通过LVLM技术来制造。

例如，图2中所示的机械臂，最初的手腕设计需要3个面板、3个隔离柱和两个适配器，总共8个零件，并且不包括里面的螺丝。但使用LVLM技术以后，这些组件就可以被合并为一个简单的零件，使用传统的CNC或成型加工却是不可能的。最明显的好处就是8个各不相同的零件被减少到一个。原有的制造这8个零件的模具就不再需要了，材料采购单上也减少了7个部分。图2很好的阐释了使用LVLM技术进行组合零件加工给客户带来的收益。

图2 最初的机器手腕被整合进了一个单独的零件，通过SLA工艺利用高冲击ABS类树脂最终制造成型

组装成一个零件

LVLM非常擅长设计不同的零件并对其进行组合加工。这是一种很典型的为组装而设计的方式。图3所示的机械手，其最初的设计是需要将其划分成许多不同的零件：每个手指、手掌垫、引脚和垫圈。但是使用LVLM版本却可以单独生成一个完整的手部零件，用LVLM进行设计、加工，完全可以满足产品加工需求（多功能、精确、耐用）。

图3 通过LVLM技术，利用快速成型设备设计机器手并作为一个单一的零件被制造组装，零件的设计和制造“生长”是同步进行的，这个制造过程是使用SLS工艺加工玻璃填充尼龙

15个单独的零件最后减少成一个（库存减少），生产每个单一零件所需的模具可以省去（成本减少，交货期缩短），即便是在外出差改变这个手部零件以满足客户需求也并非难事（无论是小版本的手部零件，还是大版本的）。这个图示向我们很好的展示了使用LVLM技术后将多个零件设计组装为一个零件的收益所在。

几何形状无限制

这种以分层为基础的制造方式是如何生产在此前看来根本无法想象的几何形状的零件呢？加工零件是从底部开始，所以原有的限制都不复存在了。在几乎所有加工案例中，如果能够在3D CAD软件中对零件进行设计，那么就能够使用快速成型加工设备制造这些零件。

局限性

所有的加工工艺都有一定的局限性， LVLM技术也不例外。使用分层技术进行加工的方式，其最值得用户注意的就是用来加工制造零件的材料本身的能力问题。

使用中国是世界塑料消费量、塑料制品产量出口量、塑料机械产销量第1大国快速成型加工设备来制造零件已经有超过15年的历史了，但是直到现在才有足够强度的材料被用作终端商业应用。使用LVLM技术加工的零件可以用在ABS树脂、医疗和食品级ABS、聚碳酸酯、尼龙和环氧树脂等领域，所有这些产品的机械性能与用注塑模具生产的塑料性能没什么差别。

表面粗糙度在其局限性中是第二突出的问题。用LVLM加工的产品其表面粗糙度并不及使用CNC加工设备和注塑成型加工的零件的表面粗糙度好。基于待加工零件的尺寸，LVLM加工工艺也有其既定的加工公差，但是不如CNC或注塑成型加工的零件。

现在能做什么？

从图4中可以看到从概念开始到CAD设计再到最终的使用快速成型设备进行零件制造的全过程。现在已经具备了一切，知道如何利用LVLM方式来开始设计。再考虑一下过去的设计方法，思考一下在工艺有所限制的情况下如何对设备进行设计并制造零件，哪些零件可以组合成一个复合零件。

图4 使用LVLM技术可以使您从概念设计开始到3D CAD再到批量生产的整个过程避免设计和模具投资上的限制，但是组合零件的自由度和一次组装的设计方式很关键

接下来需要确定一个候选项目，然后利用LVLM方式创造一个不受限制的自由设计方式。通过手上这个新的设计，再根据所需加工新零件的数量而得到报价。然后计算一下通过使用LVLM方式制造这些零件所需的费用。

对于塑料制造来说，LVLM显然是一个很有益的加工方式。LVLM可以使设计人员大大改善设计品质，取得意想不到的效率和成本优势，而且在零件设计上不再有任何限制。从历史经验来看，使用CNC加工和注塑成型加工工艺都有许多限制，但是使用全球包装市场将由2015年的8390亿美元增长到2020年的9980亿美元LVLM却可以摆脱设计上的限制，而且对单个零件进行组合加工也更为自由。(end)